автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка технологии и исследование качества заготовок дисков газовых турбин из высокохромистых сталей мартенситного класса

глава

1лава г. ± г. г ¿'^ £ 2,2,1 2,2, о о о й^ , , О

О О о

2,3,

Глава

3.2, 3,2,

О п п О, ¡С , ¡С

•:> о

Введение,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=,,,,,,,,

1, Современное состояние вопроса,6 Химический состав и свойства сталей мартенситного класса б Влияние технологии выплавки на качество вьюпкохромистых сталей,11 Технология горячей пластической деформации, 15 Оообеннооти технологии термической обработки выоокохромнотых сталей,.

Остаточный аустенит пои мартенситном превращении,.

Карбидные реакции при отпуске и эксплуатационных выдержках сталей сталей мартенситного класса,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Связь структуры и свойств высокихромистых сталей,.

Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования

2, материалы оборудование и методика исследования.

Характеристики исследуемых сталей (10Х12НЗМ2ФАА, 10Х12НЗМ2ФА)

Оборудование и методика исследования качества металла дисков,

Химический анализ сталей,

Механические свойства,.

Металлографическое исследование,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Методика комплексного изучения карбидной Фазы,,,,,,,,,,,,,,,,

Химический, фазовый анализ.

Рентгеноструктурный анализ.

Методика исследования тонкой структуры,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 37 8. Исследование влияния технологии производства вноокожромиотыж сталей на структуру и свойства,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, исследование влияния выплавки,.

Исследование влияния технологии ковки на качество поковок,,,,

Ковка электродов,,,,,,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,,,,,.,,.

Ковка дисков,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 56 Исследование влияния технологии термической обработки на свойства стели ЦДМ и 10Х12НЗМ2ФАА,

3,3,1,Особенности т - а превращения исследуемых сталей, 57 3.3,2 Лермичеокая обработка поковок электродов и переплавных олитков..

3,3,3,Предварительная термообработка поковок дисков,.'

3.3.4.Окончательная термообработка поковок дисков,.

3,4, Исследование влияния технологии производства на свойства сталей ЦДМ и 10Х12НЗМ2ФАА.

Глава 4, углубленное исследование овержчиотой стали 10Х12НЗШША,., 38 4Л, Исследование влияния сверхчистоты на - первичную структуру сталей мартенситного класса,.

4.3, Исследование полноты закалки стали 10Х12НЗМЙФАА,,,,,,,,,,,,, 92 4,3, Исследование влияния температурно-временных параметров на кинетику карбидных реакций в сверхчистой стали,,,,,,,,,,,,,,,

4,3,1.Химический и рентгеноструктурный анализ карбидной Фазы,,,,,,. 96 4,3,3,Исследование тонкой структуры,104 4.3,3.Исследование влияния температурно-временных параметров отпуска на механические свойства,.

Развитие Российского энергомашиностроения на рубеже 2000 года, прежде всего} обусловлено возрастным составом оборудования электростанций. Частичный ремонт и продление срока работы паровых, газовых и гидравлических турбин обеспечивает потребность электроэнергией лишь -на перспективу до 2005 года, так как на фоне всеобщего падения производства в России падает потребление электроэнергии. Но по сообщениям зарубежных статистиков и аналитиков [1] к 2020 году потребление электроэнергии в мире должно возрасти почти на 75 % по сравнению о 1995 годом, что дает приоритет научно - исследовательским и конструкторским проектам по разработке мощных экономичных энергомашин, ибо Россия должна идти по общемировому пути развития. При этом, к 2005 году половина мощностей РАО ЕЭС выработает свой ресурс и потребуется техническое перевооружение отрасли.

Ведущие институты НПО "ЦКТИ", ВТИ, ЦНИМТмзш, МЭИ и крупные знергомашиностроительные заводы -ЛМЗ, ЗТЛ,"йжорские заводы", имеют многолетний опыт изготовления паровых турбин мощностью до 1200 МВт, газовых турбин мощностью до 150 МВт. В перспективе ставятся задачи изготовления газовых турбин мощностью до 350 МВт и паровых, рассчитанных на суперсвеихкритические параметры пара [23. Для решения данной задачи необходимо разработать новые материалы , обладающие соответствующими свойствами как при низких, так и при высоких температурах.

По литературным данным [31, материалы для роторов паровых турбин высокого и среднего давления должны удовлетворять следующим требованиям: полная прокаливаемость в сечениях до 1200 мм., предел длительной прочности при 800и0 за 100000 часов не менее 100 МПа, длительная пластичность (б) при 600иС за 100000 часов не менее 10% и отсутствие чувствительности к надрезу и трещине: категория прочности КП 60 или КП 70 ; критическая температура хрупкости (PATT, Tso'7) не более 40. .'.50иС в теплоинерцжжных ■ зонах поковки, ударная вязкость КОУ >600 КДж/мА=

Содержание в структуре альфа (дельта) феррита ограничивается верхним пределом 1,,,3%,

К материалу дисков мощных газовых турбин новых энергоблоков предъявляются жесткие требования: равномерность свойств по сечению , категория прочности КП 90, длительная прочность при температуре 300 иС за 100000 часов должна быть не менее 800 МПа. Требования- по ударной вявкости (КСУ > 1000 кДж/мА) и переходной температуре хрупкости (ГАТТ <-30 и0) предъявляются в связи с пиковым режимом работ«. Для дисков газовых турбин была разработана и попользуется сталь 10Х12НЗМ2Ф (ЩМ) [43. Сталь ЦДМ имеет категорию прочности КП 80, но при этом она чувствительна к концентраторам напряжений, а переходная температура хрупкости превышает 0 иС, что не соответствует вышеприведенным требованиям,-«.свойствам.малвр?аяаг-д-ис1Ш1-мвщных -таэовнВРЧгурёйн. Необходимо модернизировать химический состав и технологию производства, используя достижения современной металлургии.

Под модернизацией химического состава подразумевается снижение содержания вредных примесей (серы, фосфора), цветных примесей, кремния и марганца, то есть достижение оверхчиототък Низкое содержание примесей в стали можно получить при использовании многоступенчатой технологии выплавки,

0АииМжорские заводыи располагает необходимой металлургической базой для изготовления дисков новых газовых турбин. В связи с этим, именно на ОАО "МВ" была разработана технология производства дисков из сверхчистой стали мартеноитного класса, а также проведено исследование влияния эффекта сверхчистоты на свойства стали.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

На основании анализа влияния технологии производства дисков из высокохромистых сталей на ОАО Мжорокие заводы разработана новая технология изготовления дисков газовой турбины из сверхчистой стали 10Х12НЗМ2ФАА,

2, Установлено, что многоступенчатая технология выплавки стали 10Х12НЗМ2ФАА обеспечивает требуемое содержание примесей, уменьшает содержание и изменяет морфологию неметаллических включений, снижает содержание дельта - феррита, улучшает деформируемость при ковке,

3, Разработанный режим окончательной термической обработки обеспечивает микроструктуру отпущенного мартенсита, по границам и внутри игл которого располагается мелкодисперсная карбидная Фаза,

4, Эффект оверхчиототы повышает сопротивление хрупким разрушениям, снижает анизотропию свойств по сечению диска за счет уменьшения макро и микронеоднородности, длительная прочность сверхчистой стали составляет 400 МПа на базе 10000 часов при 500 °и,

5, При содержании 31=0,05% и Мп=0,05% образуется плотная дендритная структура, микросегрегация примесных элементов пои этом ослабляется, измельчаются неметаллические включения,

6, В температурно-временном интервале отпуска (Рота от 510 до 600 ■ т от 30 минут до 270 часов) карбидная фаза и нитрид ванадия претерпевают следующие изменения:

УзН+^С^У8М+МзС+М2зСб^М2зСб+М7Сз+М2(>М£зСб

Степень легированости высокотемпературной фазы М2306 увеличивается с повышением температуры отпуска. Тага® установлено, что образование крупных карбидов МрзСб и расположение их по границам зерен• и игл мартенсита ведут к снижению механических свойств.

7, Комплексная технология производства сверхчистых выоокох-ромиотых сталей мартенситного класса решает задачу обеспечения энергомашиностроения материалом, сочетающим высокую прочность и трещиностойкость о уникальной равномерностью и изотропностью свойств. нибдиографичеокий описок использованной литературы,

1, А,П.Огурцов, М,В,Нооанов, Тяжелое машиностроение, - М,, Машиностроение, 1997, г,,N12, с,11

2, А,А,Чижик,, Тяжелое машиностроение,- М,, Машиностроение, 1997, г,, N9, о,35

3, А,и,Лебедев, В XXI век с газовыми турбинами российского производства, М,^Тяжелое машиностроение, 1997, N 12, с,21-24,

4, Отчет о научно-исследовательской работе. Разработать теплоустойчивую сталь типа ЦДМ для дисков газовой турбины и технологию изготовления штатных дисков, НПО ЦНИИТМаш,, ПО Икорокие заводы, Ленинград, 1987 г,

5, й,М,Коньева, В,А,Федорович, под ред. 0,Е,Маоленкова, Металловедение, М.:Металлургия,1978, о,258,

6, А,П.Гуляев, Металловедение, М,: Металлургия 1986, с.313-314.

7, K,J,Irvin and other. The physical metallygy of 12% ohroiurn steel. Journal of the iron and steel institute,, August I960,

8, Р.Е.Ноулин, В,К=Нангия, Д.Л.Ньюхауз, Злектрошлаковый переплав стали с 12% хрома, предназначенной для изготовления роторов современных паровых турбин,,в со, Злектрошлаковый переплав,, вып.5, Hay шва думка, Киев, 1979 г,, с, 236-248,

9, Я.м.Потак, Е,А,Оагалевич - ШТОМ, 1971,N9,с, 12-16,

10, К,А,Лянская, Высокохромистые жаропрочные стали, М,:Металлургия, 1976, с,216,

11, Mullen,S, Kohlhaas,R,-Arch, Eisenhuttenw,, 1963, Bd,34, ii 10, s, 755-759,

12, В,М,Трояновский, Паровые турбины концерна GEO-ALSTHOM, М,:Теплоэнергетика, N 1,1998, о,48-52,

13, А,А,Чижик; Т,А,Чижик, Creep and creep fracture of advanced lOOrMoVNb(N) steel for fording1 of steam turbines/ZProceeding' of and Component Life Extension, Milan, Italy 10-13 October 1995,-p,253-260,

14, В.Н.Земзин, Р.З.Шрон. Термическая обработка и свойства оваоных соединений. IvL :Машиностроение, 1973, о,289-311,

15, К.Г.Шмитт-Томао, Металловедение для машиностроения. Справочник, MLМеталлургия, 1995, 0,355-375,

16, Е.Хутерман, З.Вулъфмайер, Элементы - примеси в специальных конструкционных сталях и их влияние на технологические свойства, М,¡Черные металлы, 1999, с,44-50,

17, В.Д.Дуб, Е,В,Макарычева, I,И,Макаров, Крупный слиток - настоящее и будущее, М,¡Электрометаллургия N 5, 1999, с,32-39,

18,.Е,В,Макарычева, В,и,Дуб, 3,Ю,Колпишон, Особенности затвердевания сверхчистой стали, М.:А0 иЧерметинформадияи, 1996, 0,330-383,

19, 3,Ю,Колпишон, В.Д.Варонина, В.Е.Петрова, Влияние "сверхчистоты на свойства стали 10Crl2Ni3Mo2¥S!, М,¡Машиностроение, Тяжелое машиностроение, 1998, о,9-11,

20, S.Sawada' and S.Kawag^iohi, The benericlal of vacuum carbon 'de-ox idai on on rotor forging" properties, Mutoran Plant, The Japan Steel Works, Ltd, 1994,

21, В.И.Явойокий, Ю,И,Рубенчик, А,П,икенко, Неметаллические включения и свойства стали, М,¡Металлургия, 1930, с,3-63,

22, В,И,Шуйский, С,А.Блившоков, А,Ф,Вишкарев, Л,С,Горохов, С,Ф,Хохлов, А.В.Явойокий, Включения и газы в сталях, М,:Металлургия ,1979, 0,167-171,

23, А.Н.Морозов, . М,М,Стеркаловский, Г,И,Чернов, Я,Е,Кацнельсон, Внепечное вакуумирование стали, М,¡Металлургия, 1975, с,28-31,

24, Г.Кюннель, Раскисление и вакуумная обработка стали. Пер, о Нем, М,¡Металлургия, 1995, Т-2, с,55-68,

25, А,П.Гуляев, Ю,И,Матросов, Влияние кремния на склонность железа высокой чистоты к хрупкому разрушению,- Металлы,1958,N 2, с,167-170,

26, А.П.Гуляев, Чистая сталь, М,¡Металлургия, 1975, 0,57-73,

27, И,Г,Генероон, Поковки из специальных сталей. Л,¡Машиностроение, 1967, с,17-86,

28, П.И.Полухин, В,А,Тюрин, П.И.Давидков, Д.Н.Витанов. Обработка металлов давлением в машиностроении, М,г Машиностроение, София: Техника, 1983, 0.108-126.

29, Е.М.Семенов, Д,В,Коровин, Расчет исходных заготовок при секционной двухсторонней штамповке дисков. Новое в ОМД, М, :ВЗШ, 1977, с,34-37,

30, М,Л.Бернштейн, Металловедение и термическая обработка стали, М,: Металлургия, 1983, с,165,

31, Г,В,Курдюмов5 Л,М,Утевокий, Р,И,Знтин, Превращение в железе и стали, - М.: Наука 1977, с, 237,

32, А,А,Байков, и структуре стали при высоких температурах, - В кн. Избр, тр, - М,: металлургиздат, 1961, о, 178-184,

33, Ю,А,Башнин, И,В,Паисов, В,Н,Пупков, В,М,Коровина, Термическая обработка крупных поковок, М,:Металлургия, 1972, с,14-27,

34, Г.В.Курдюмов, Явления закалки и отпуска стали, М,¡Государственное научнотехническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960, с,20-45,

35, И,И,Новиков, Теория термической обработки мкталлов. Издание 3-е исправленное и дополненное, М,:Металлургия, 1978, 0,311-315,

36, В,Д,Садовский, Структурные превращения при закалке и отпуске конструкционных сталей, Свердловск: УФ, АН,СССР, 1945, вып.З,

-1 TÍO

37, В,И,Зюзин, В,Д,Садовский, С.И.Баранчук, Металлург, N10/11. 0,75-89,

38, В,Д.Садовский, Е,А,Фокина, Остаточный аустенит в закаленной стали, М,: Наука, 1986,, с,14,

39, В,Д,Садовский, Н,А,Бородина, - Сталь, 1948, N 7, с,612-619,

40, В,м,Счастливцев, В,Д,Садовский, Л,И,Вернштейн и др, - ФММ, 1981, т,51 вып.3. 0,574-582,

41, В,Т,Бирюлин,. В,Д,Садовский, - Тр, ИФМ УФ АН СССР,, 1956, вып, 18, с,72-98,

42, Oppenheim,R,: DEW Techn, Вег, 14(1974) s, 5/13,

43, Schaeffler A,L,: Weld, Res, 1947, s, 601-3/20-9,

44, К.Борн, В.Лаурфехт, Черные металлы, ФРГ, 1968, №, 3-13,

45, И,А,Борисовj Измельчение верна аустенита в крупных поковках из стали 25ХНЗМФА,- М,; Металловедение и термообрабтка металлов,, 19795 N9, с,3-7,

46, Г.Д.Пигрова, Процессы выделения Фаз в жаропрочных сталях и сплавах для энергетического машиностроенияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Санкт-Петербург, 1993,

47, Г.Д.Пигрова, Е.М.Пивнин, Влияние длительного старения при 750-790иС на фазовый состав и свойства сплавов на никелевой основе.55 ФХОШМ, М, 1971, 363— 373 о,

48, И,И,Новиков, Теория термической обработки материалов, М.: Металлургия 1978 г,

49, Г,Д,Пигрова, Кинетика карбидных реакций в Cr-Mo-v- стали, М.: Металловедение и термическая обработка металлов, 1995, N8, с,3-4,

50, Э.Ю.Колпишон, Разработка научных основ и внедрение комплексной металлургической технологии производства ответственных заготовок из слитков массой до 360 тонн". Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, ЦНИЙТМАШ, Москва, 1990,

51, А,Г,Хачатурян, Теория фазовых превращений и структуры твердых растворов, М,: Наука 1974, с,305,

53, В,Д,Садовский, Е,А,Фокина, Остаточный аустенит в закаленной стали, М,: Наука, 1986, о,18-19,

53= Ю,Я,Мешков, Физические основы разрушения стальных конструкций, Киев,:Наукова думка, 1981, 0,79-113,

54, Ю,Я,Скок, В,А,Чумаченко, О,Е,Иванова, Влияние микролегкрова-ния на химическую микронеоднородность нержавеющей стали. Сообщение 3, Процессы литья, Киев,;Наукова думка, 1993, с,88-95,

55, И,А.Борисов» Влияние ванадия и других карбодообразующих элементов на свойства роторных сталей, М,:Металловедение и термическая обработка металлов, N 10, 1994, с,33-35,

56, Leaueux J,M,, Krabe P.R.- Met, Sei, Rev, met,, 1974, vol. 71,

57, В,А,Займовокий, Г,Л,Лемберокий, 0,В,Оамедов, С.Г.Хаютин, -ШМ, 1973, т, 35» вып.5 0,555-561,

58, Bressanelli J,P,, Moskcvitz.A, Trans, ASM, 1966, vol.59, у . ¡USL.O ,

58, PI,А,Борисов, Влияние молибдена на свойства Or-Ni-Mo-V сталей, М,Iметалловедение и термическая обработка металлов, N 3, 1993, с,16-18,

59, С.LOIER and u.LEYMONE, Structural Transformation and Meohaa-nioal Properties of a ISCr-Ni-Mo-V Steel,(Received January 5, 1984;in revised from May 31,1984) s,165-174,